CN1519615A - 偏振光分离光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能够减少相对于光学系统的光轴倾斜地入射到偏振光分离膜后被检测的偏振光中所含的P偏振光方向的成分的偏振光分离光学系统。该光学系统具有将来自第一光学系统的偏振光导向反射型图像显示元件、检测来自该图像显示元件的偏振光将之导向投射光学系统的偏振光分离膜，在取P偏振光和S偏振光的偏振光分离膜处的相位差为δ时，该偏振光分离膜满足条件120°≤|δ|≤180°。

Description

偏振光分离光学系统

技术领域

本发明涉及在利用偏振光分离膜导光放大投射图像显示元件所显示的原图的像的投射型图像显示装置中使用的偏振光分离光学系统以及投射型显示光学系统。

背景技术

作为投射显示大画面的图像的投射型图像显示装置，有使用了反射型液晶显示元件(反射型图像形成元件)的装置。该投射型图像显示装置是在对应于反射型液晶显示元件所显示的原画面调制入射到反射型液晶显示元件的光(照明光)的同时还使之反射，并利用投射光学系统在屏幕上放大投射该经过调制以及反射的光(图像光)的装置。

在这样的投射型图像显示装置中，为了将照明光引导到反射型液晶显示元件上并进而将被反射型液晶显示元件反射的图像光引导到投射光学系统，有时使用偏振光光束分离器。

这里，偏振光光束分离器兼有作为作成特定的偏振光成分的照明光的偏振光元件的作用和作为作成特定的偏振光成分的图像光的检光元件的作用。

作为使用了偏振光光束分离器的投射型图像显示装置的光学系统，有特公平7-38050号公报公开了的专利。该公报所公开的光学系统如图31所示的那样，在偏振光光束分离器101和反射型液晶显示元件102之间配置1/4波长片103。进而，相对于对应图31中的X轴方向倾斜的光线111，由偏振光光束分离器101的偏振光分离膜104反射了之后的偏振光方向113在X轴方向105设置1/4波长片103的相位超前补偿轴105。由此，通过使光线111在利用反射型液晶显示元件102的反射的前后往返2次通过1/4波长片103，可以使相对于X轴倾斜的偏振光方向113相对于X轴翻转并一致于反射型液晶显示元件102的反射光线112的在偏振光分离膜104的S偏振光的方向114。

如果想要使投射图像的亮度更加明亮，则需要使照明系统的F数明亮，即加大入射到偏振光光束分离器的光的角度。但是，这样做有可能使偏振光光束分离器的检光性能低下。

这里，所谓的F数(Fno)与会聚在反射型液晶显示元件上的任意一点的照明光束的收束角ψ有关，定义为

Fno＝1/2tanψ

下面，使用图21说明使照明系统的Fno明亮(变小)了时的问题。

在图31所示的现有的光学系统中，入射到偏振光光束分离器101的光线在以偏振光光束分离器101(偏振光分离膜104)的中心为原点的坐标系中只有平行于XY平面的光线构成问题。但是，实际的照明光束如图21所示的那样，以Y轴(光轴)为中心从各个方向(相对于Y轴具有各种各样的角度)入射偏振光光束分离器101。

此时，如图22那样，在光束内给出了从偏振光光束分离器101出射的光束中的偏振光的倾斜。y表示在偏振光光束分离器的入射面i从平行于YZ平面的方向入射的光线的方向，x表示在偏振光光束分离器的入射面i从平行于XY平面的方向入射的光线的方向。此外，A表示从平行于相对YZ平面倾斜了+45度的平面的方向入射的光线的方向，B表示从平行于相对YZ平面倾斜了-45度的平面的方向入射的光线的方向。下面称A以及B的方向为照明光束的对角方向。

如图22所示的那样，y方向以外的光线对应各个光线的偏振光分离膜104的S偏振光方向相对于全部x方向，呈偏振光方向倾斜了的偏振光状态。此外，即使是在同一A方向，如下式所示的那样，对应偏振光分离膜的入射角度不同的光线a1、a2其偏振光的倾斜角γa1、γa2也不同(来自B方向的入射光线b1、b2的偏振光的倾斜角γb1、γb2也一样)。

γa1＝-γb1≠γa2

γa2＝-γb2≠γa2

图23中，设在光线a1出射于偏振光光束分离器101的偏振光状态为p1，往返通过了图21所示的1/4波长片103之后的偏振光状态为p2。

偏振光状态p1和p2的偏振光方向通过1/4波长片103的作用为相对于x轴反转了的关系。这里，由于光线a1在反射型液晶显示元件102处反射，故在入射到偏振光光束分离器101时，再次成为以相反的顺序行进于与出射于偏振光光束分离器101的光线a2的光路相同光路的光。

此时的偏振光分离膜104处的S偏振光方向为图22中的光线a2的偏振光的倾斜方向，该方向在图23中用虚线表示。

如由图23可知的那样，被1/4波长片103变换了的偏振光方向p2和偏振光分离膜104的S偏振光方向产生偏差Δ，因此，即便偏振光分离膜104的偏振光分离性能是理想的也将不能对照明光束的对角方向(A或者B的方向)的光线进行完全的检光。

在图21的偏振光光束分离器101的入射面i中，对应Y轴(照明光束的光轴)角度ψ越大，即照明系统的Fno越亮，则该偏振光方向的偏差Δ越显著。由此将增大偏振光光束分离器101的泄漏光，因而，如果想要提高投射图像的亮度则对比度将变得更加低下。

此时，由于在偏振光分离膜去除了S偏振光成分，故泄漏光的偏振光方向为图24所示那样的偏振光分离膜的p偏振光成分m1的方向。为了补偿偏振光光束分离器的特性，可以在偏振光光束分离器101的出射侧追加在YZ平面的方向具有透过轴的偏振片等检光元件。但是，由于泄漏光(P偏振光成分)m1的振动方向与偏振片105的透过轴大致为同一方向(y方向)，故即使是用偏振片进行了滤除也会如图25所示的那样残存几乎全部的泄漏光m2。因而，如果这里所说明的泄漏光从偏振光光束分离器出射，则其一定会到达屏幕。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少相对于第一光学系统(照明光学系统)倾斜地入射到偏振光分离膜后被检测的偏振光中所含的P偏振光方向的成分、在用于图像投射时可以提高投射图像的对比度的偏振光分离光学系统。

为达成上述目的，本发明的第一实施形态的偏振光分离光学系统，具有将来自第一光学系统的偏振光导向反射型图像形成元件、检测来自上述图像形成元件的偏振光将之导向第二光学系统的偏振光分离膜，并满足120°≤|δ|≤180°的条件，式中，δ是上述偏振光分离膜处的P偏振光和S偏振光的相位差。

此外，本发明的另一实施形态的偏振光分离光学系统，具有将来自第一光学系统的偏振光导向反射型图像形成元件、检测来自上述图像形成元件的偏振光将之导向第二光学系统的偏振光分离膜，其中上述偏振光分离膜构成为：使相对于上述偏振光分离膜的法线形成角度θ并以第一方位角入射到上述偏振光分离膜、在该偏振光分离膜反射的偏振光的偏振光方向处于下述两个偏振光方向之间，即其中一个偏振光方向为基于上述偏振光分离膜和偏振光的向该偏振光分离膜的入射方向之间的几何学关系的、在上述偏振光分离膜反射的偏振光的偏振光方向；另一个偏振光方向为相对于上述偏振光分离膜的法线形成角度θ并以与第一方位角正相反的第二方位角入射到上述偏振光分离膜、在该偏振光分离膜反射、经由1/2波长片后的偏振光方向。

通过参照附图进行的下面的具体的实施例的说明，我们将进一步明确本发明的特征。

附图说明

图1所示是作为本发明第一实施形态的投射型显示光学系统(投射型图像显示装置)的构成图；

图2是说明图1给出的投射型显示光学系统中所使用的复眼透镜列阵的图；

图3是图1给出的投射型显示光学系统中所使用的偏振光光束分离器的光路图；

图4所示是计算了上述偏振光束分离器的泄漏光光量的结果图；

图5所示是本发明的数值实施例1的偏振光分离特性图；

图6所示是本发明的数值实施例1的相位差特性图；

图7所示是本发明的数值实施例2的偏振光分离特性图；

图8所示是本发明的数值实施例2的相位差特性图；

图9所示是本发明的数值实施例3的偏振光分离特性图；

图10所示是本发明的数值实施例3的相位差特性图；

图11所示是本发明的数值实施例4的偏振光分离特性图；

图12所示是本发明的数值实施例4的相位差特性图；

图13所示是本发明的数值实施例5的偏振光分离特性图；

图14所示是本发明的数值实施例5的相位差特性图；

图15所示是本发明的数值实施例6的偏振光分离特性图；

图16所示是本发明的数值实施例6的相位差特性图；

图17是说明偏振光分离膜的偏振光方向的图；

图18所示是上述第一实施形态的反射型液晶显示元件的另外的配置例的图；

图19是作为本发明第二实施形态的投射型显示光学系统(投射型图像显示装置)的构成图；

图20是作为本发明第三实施形态的投射型显示光学系统(投射型图像显示装置)的构成图；

图21所示是说明偏振光分离膜产生泄漏光的原因的图；

图22所示是说明偏振光分离膜产生泄漏光的原因的图；

图23所示是说明偏振光分离膜产生泄漏光的原因的图；

图24所示是说明偏振光分离膜产生泄漏光的原因的图；

图25所示是说明偏振光分离膜产生泄漏光的原因的图；

图26是说明通过上述第一实施形态使偏振光分离膜的泄漏光减少的理由的图；

图27是说明通过上述第一实施形态使偏振光分离膜的泄漏光减少的理由的图；

图28是说明通过上述第一实施形态使偏振光分离膜的泄漏光减少的理由的图；

图29是说明通过上述第一实施形态使偏振光分离膜的泄漏光减少的理由的图；

图30是说明通过上述第一实施形态使偏振光分离膜的泄漏光减少的理由的图；

图31所示是现有的偏振光光束分离器的图。

具体实施方式

下面参照图面对本发明的实施例进行说明。

(第一实施形态)

图1中给出了作为本发明第一实施形态的投射型显示光学系统(投射型图像显示装置)的构成图。

图中的1是以连续谱发出白色光的光源，可以使用超高压水银灯等。2是将来自光源1的光会聚到规定的方向并使之成为近似平行光的反射望远镜，具有抛物面形状(也可以是椭圆面形状)的反射面。

3a是矩阵状地配置了矩形的透镜的第一复眼透镜列阵，3b是具有对应了第一复眼透镜列阵3a的各个透镜的透镜列阵的第二复眼透镜列阵。

4是将来自光源1的无偏振光处理成特定的偏振光(在本实施形态中为S偏振光)的偏振光变换元件。5是会聚来自偏振光变换元件4的光束的聚光透镜。

6是具有透过P偏振光、反射S偏振光的偏振光分离膜6a的偏振光光束分离器。

7是在显示原图像并在反射入射的光(照明光)的同时对应于原图像调制照明光的反射型液晶显示元件(反射型图像形成元件)。

这里，在液晶显示元件7中连接有驱动电路20，在驱动电路20中供给有来自个人计算机、录像机、电视机、DVD播放器等的图像信息供给装置30的图像信息。驱动电路20基于所提供的图像信息输出用于在液晶显示元件7上显示原图像的信号。

8是1/4波长片，配置在偏振光光束分离器6和液晶显示元件7之间。

9是透过出射于偏振光光束分离器6的图像光中特定的偏振光状态的光的偏光板，10是在没有图示的屏幕(被投射面)上投射透过了偏光板9的图像光的投射透镜。

下面说明光学上的作用。从光源1发出的光通过反射望远镜2被会聚到特定的方向上。这里，反射望远镜2做成抛物面形状，来自抛物面的焦点位置的光为平行于抛物面的对称轴的光束。但是，由于光源1不是理想的点光源而具有有限的大小，故在会聚的光束中也包含着不平行的光的成分。

该会聚光光束入射到第一复眼透镜列阵3a。第一复眼透镜列阵3a矩阵状地组合外形是矩形的具有正的折射力的透镜构成，入射的光束被分别对应于各个透镜的多个光束部分割、会聚，经由第二复眼透镜列阵3b，在偏振光变换元件4的附近矩阵状地形成多个光源像。在这里，代替复眼透镜阵列，可以使用将关于预定的方向的折射力实质上相等的多个双凸透镜在上述预定的方向配置多个的双凸透镜阵列。上述预定的方向最好实质上与色分离平面和/或色合成平面垂直。色分离平面是指利用双向色反射镜和偏振光光束分离器将一个入射光线分离成多个出射光线的情况下，由一个入射光线和多个出射光线构成的平面。色合成平面正好相反。

偏振光变换元件4由偏振光分离膜、反射面和1/2波长片组成，矩阵状地会聚了的多个光束部分入射到对应于其矩阵位置的偏振光分离膜，被分割成透过的P偏振光成分的光和反射的S偏振光成分的光。在偏振光分离膜处反射的S偏振光成分的光在反射面处反射，与P偏振光成分出射到相同的方向。另一方面，透过了偏振光分离膜的P偏振光成分的光透过1/2波长片，被变换成与S偏振光成分一样的偏振光成分。由此，从偏振光变换元件4出射的光束偏振光方向全部一致。

从偏振光变换元件4出射的光束作为发散光束，入射到会聚透镜5并被会聚透镜5会聚。从会聚透镜5出射的光束相对于偏振光光束分离器6作为S偏振光入射，在偏振光分离膜6a处被反射，并中介于1/4波长片8到达液晶显示元件7。在液晶显示元件7上调制并反射照明光。在这里，构成为通过两次1/4波长片，但也可以构成为通过四次1/8波长片，也可以将两片1/8波长片各通过两次。即将作为整体以1/4波长片起作用的构成通过两次，也可以将作为整体以1/2波长片起作用的构成通过一次。

被调制的反射光(图像光)中的S偏振光成分再次在偏振光分离膜6a处反射，返回到光源侧并被从投射光中除去。

另一方面，调制后的图像光中的P偏振光成分透过偏振光分离膜6a，从偏振光光束分离器6出射并通过投射透镜10投射到没有图示的屏幕上。

这里，由于偏振光光束分离器6的偏振光分离膜6a不具有理想的特性(S偏振光反射率Rs＝100％，P偏振光反射率Rp＝0％)，故调制后的图像光中以偏离了特定角度(图1中相对于偏振光分离膜6a的法线方向45°)的角度入射到偏振光分离膜6a的S偏振光也将透过。

因此，在本实施形态中，在偏振光光束分离器6和投射透镜10之间设置有偏光片9，用于滤除没有被偏振光光束分离器6检测干净的泄漏光。

这里，照明系统的F数(Fno)可以用会聚到液晶显示元件7上的照明光束的收束角(对应于对偏振光分离膜6a的入射光束的光轴L的最大入射角)ψ来定义，在本实施形态中，如图2所示的那样设定第二复眼透镜列阵3b的外形形状，通过设定其有效范围

a＝42mm，b＝39mm

会聚透镜5的合焦焦距fc

fc＝95.8mm

照明光学系统(第一光学系统，由元件1～5组成)的Fno在

l＝(a²+b²)^1/2

时，其照明系统的Fno＝fc/l＝2.33。

此时的照明光束的收束角度ψ为

ψ＝tan^-1(Fno/2)＝12.1度。

下面，说明计算照明光束对角方向(图22所示的A、B的方向)的偏振光状态的方法。

图3给出了在偏振光光束分离器的入射面(正交于光轴L(Y轴)的面)从上述对角方向入射的光线的光路。设表示对角方向的方位为φ，入射的角度为ψ。此时，入射光线的偏振光方向为平行于X轴的方向。

偏振光分离膜6a的P偏振光成分平行于由入射光线Ri和反射后的出射光线Ro形成的平面P，S偏振光成分垂直于平面P。

在此，使用图17对面和偏振光方向进行说明。图17中与图3相同的部分附加了同样的符号。

包含入射光线Ri和出射光线Ro的平面P用粗实线表示。该平面P包含着偏振光分离膜6a上的反射点U的偏振光分离膜6a的法线n。

如果设平行于YZ面且包含法线n的平面为Q，则入射光线Ri的偏振光方向为垂直于平面Q的方向(平行于X轴的方向)。在反射点U，垂直于平面Q的方向表示为T。由于T的方向被包含在偏振光分离膜6a的面内，故可以认为是入射到反射面(偏振光分离膜)的光线的偏振光方向。

其次，由于在偏振光分离膜6a垂直于平面P的方向是S偏振光方向，故取反射点U处垂直于平面P的方向为S。此时，因为T的方向是光的偏振光方向，S的方向是反射面的S偏振光方向，故S和T所成的角度εi表示在偏振光分离膜6a的偏振光的倾斜。

同样地，图3中出射于偏振光光束分离器6的光线在液晶显示元件7处反射并再次进入偏振光光束分离器6，到达偏振光分离膜6a。此时的偏振光分离膜6a处的P偏振光成分平行于由入射光线Ri’和反射后的出射光线Ro’形成的平面P’，S偏振光成分则垂直于平面P’。由于在此平面P’相对于YZ面也是倾斜的，故包含于XY面的偏振光方向相对于偏振光分离膜6a的S偏振光方向也是倾斜的。取此时的偏振光方向的倾角为εo。

涉及这些几何学的关系，我们使用琼斯行列式计算偏振光状态。

计算中使用的偏振光的坐标系为：沿入射偏振光分离膜6a并反射的光线定义为z轴，取垂直于z轴且平行于由z轴和x轴所成的平面的偏振光成分为x成分，垂直于x轴的偏振光成分为y成分。

如果设入射状态的琼斯矢量为

$J_i=\left[\begin{array}{c}{J}_{\mathrm{ix}}\\ J_{\mathrm{iy}}\end{array}\right]$

设出射状态的琼斯矢量为

$\mathrm{Jo}=\left[\begin{array}{c}{J}_{\mathrm{ox}}\\ J_{\mathrm{oy}}\end{array}\right]$

，则偏振光分离膜6a的作用为琼斯矩阵Jm1，入射偏振光状态为

Jix＝1，Jiy＝0

，偏振光分离膜6a处的琼斯矩阵为

$J_{m1}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ϵi}& -\sin \mathrm{\ϵi}\\ \sin \mathrm{\ϵi}& \cos \mathrm{\ϵi}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{J}_{i11}& J_{i12}\\ J_{i21}& J_{i22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ϵi}& \sin \mathrm{\ϵi}\\ -\sin \mathrm{\ϵi}& \cos \mathrm{\ϵi}\end{array}\right]\·\·\·\left(4\right)$

J_i11＝0

J_i12＝Rseⁱδ

J_i21＝Rpe^-iδ

J_i22＝0

式中，Rp表示P偏振光成分的振幅反射率，Rs表示S偏振光成分的振幅反射率，δ是P偏振光成分和S偏振光成分的反射处的相位差(相位差为180°或者-180°时表示没有相位差的状态)。

由此，出射状态的偏振光状态可取

Jo＝Jm1×Ji

进行计算。

其次，光线因1/4波长片8的作用，其x成分的相位延迟90°(π/2)，因图像显示元件7的反射其x方向的相位反转延迟180°(π)，再次通过1/4波长片8，其x成分的相位再延迟90°(π/2)。

用琼斯行列式Jm2表示上述关系，有

Jm2＝Jr×Jmr×Jr

式中，Jr表示1/4波长片8的作用，即

$J_r=\left[\begin{array}{cc}{J}_{r11}& J_{r12}\\ J_{r21}& J_{r22}\end{array}\right]$

J_r11＝0

J_r12＝Rseⁱπ/2

J_r21＝Rpe^-iπ/2

J_r22＝0

Jmr表示反射的作用，即

$J_{\mathrm{mr}}=\left[\begin{array}{cc}{J}_{m11}& J_{m12}\\ J_{m21}& J_{m22}\end{array}\right]$

J_m11＝0

J_m12＝Rseⁱπ

J_m21＝Rpe^-iπ

J_m22＝0

由此，如果利用琼斯矢量表示再次入射到偏振光光束分离器6的偏振光状态Ji’，在取

$J_{i^{\′}}=\left[\begin{array}{c}{J}_{{\mathrm{ix}}^{\′}}\\ J_{{\mathrm{jy}}^{\′}}\end{array}\right]$

时，可以用

Ji’＝Jr×Jmr×Jr×Jo

来进行计算。

当光线再次入射到偏振光光束分离器6时，与(4)式同样地使用平面P’的倾角εo，如果取偏振光分离膜6a的作用为Jm2，则

$J_{m2}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ϵO}& -\sin \mathrm{\ϵO}\\ \sin \mathrm{\ϵO}& \cos \mathrm{\ϵO}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{J}_{{i11}^{\′}}& J_{{i12}^{\′}}\\ J_{{i21}^{\′}}& J_{{i22}^{\′}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ϵO}& \sin \mathrm{\ϵO}\\ -\sin \mathrm{\ϵO}& \cos \mathrm{\ϵO}\end{array}\right]\·\·\·\left(5\right)$

J_i11’＝0

J_i12’＝Rseⁱδ’

J_i21’＝Rpe^-iδ’

J_i22’＝0

式中，Rp表示P偏振光成分的振幅反射率，Rs表示S偏振光成分的振幅反射率，δ’是P偏振光成分和S偏振光成分的透过处的相位差。

由此，透过偏振光光束分离器6出射的光线的偏振光状态可取

Jo’＝Jm2×Ji’

进行计算。

最后，由于用于检测光所设置的偏光板可以表示为

$J_p=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$

，故泄漏光可表示为

$J_p\×J_{o^{\′}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{J}_{{\mathrm{ox}}^{\′}}\\ J_{{\mathrm{oy}}^{\′}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{J}_{{\mathrm{ox}}^{\′}}\\ 0\end{array}\right]$

Jox’为泄漏光的光量。

在前述的Fno2.3的照明光束下以相当于光束全角的约90％的11度入射的光线中，如果设偏振光光束分离器6的折射率为1.74，则偏振光分离膜6a的偏振光的倾斜εi为-6度，εo为+2度。

这里，以11度入射到偏振光光束分离器6的光线在实际的偏振光光束分离器6内透过折射相对于Y轴倾斜6.3度，相对于入射到偏振光分离膜6a的光线Ri的法线的入射角度θ为40.6度。

取S偏振光的振幅反射率Rs＝1，S偏振光的振幅透过率Ts＝0，P偏振光的振幅透过率为Tp，使用P偏振光的振幅反射率Rp表示Tp有Tp＝1-Rp，透过的相位差为δ’＝0，以Rp和δ为参数计算的泄漏光Jox’的结果示于图4。

图4中，虽然在Rp＝0时偏振光分离膜6a为理想的特性，但如此前所说明过的那样，由于存在偏振光分离膜6a的倾斜而产生有恒定的泄漏光(M)。

与之相反，在Rp＞0时，泄漏光因相位差δ而变化，在δ＝180度(-180度)到达最小且较理想特性时泄漏光进一步减少。进而，泄漏光随Rp而变化，Rp越大，泄漏光光量越小。

由图4可知，在Rp大于0且相位差δ大于120度(或者小于-120度)时，其泄漏光光量均小于理想特性的偏振光分离膜6a处的泄漏光。

在本实施形态中，当设P偏振光和S偏振光的偏振光分离膜6a处的相位差为δ时，应该满足

120°≤|δ|≤180°            …(1)

这样的条件。因为由此可以使包含于相对于照明光学系统的光轴倾斜并入射偏振光分离膜6a检测出来的偏振光中的P偏振光方向的成分减少，所以，可以减少利用现有的偏振光分离膜的检光所不能除去的泄漏光。因而，可以提高投射图像的对比度。

此外，也可以构成偏振光分离膜6a，使之在上述(1)式的条件下，相对于对应该偏振光分离膜6a的法线具有角度θ入射到该偏振光分离膜6a的光其偏振光分离膜6a的P偏振光的反射率为Rp时，达到

Rp＞0％                             …(2)

但是，上述入射角度θ在从照明光学系统到达偏振光分离膜6a的光轴和偏振光分离膜6a的法线所成的角度为α、对应从照明光学系统到偏振光分离膜6a的光轴朝向偏振光分离膜6a的光束的最大入射角度为ψ时，满足

α-ψ≤θ≤α+ψ                    …(3)

关于上述内容，我们使用图26～图30进一步详细说明。

图26中，作为照明光，取入射到偏振光分离膜6a的光线的偏振方向p2为x轴。此时的偏振光分离面的S偏振光方向为S轴，P偏振光方向为P轴，如果偏振光分离膜为理想的特性，则出射于偏振光光束分离器6的光线的偏振光方向po为沿着S轴的偏振光方向。

与之相反，如果设定偏振光分离膜6a的特性为Rp＞0％，则如图27所示的那样，在反射光中也包含P偏振光方向的偏振光成分，出射于偏振光光束分离器6的光线的偏振光方向po’为S方向的偏振光成分与P方向的偏振光成分的合成的方向。

图28给出了通过1/4波长片8的往返反转了该偏振光po’的偏振光方向por。其可以使偏振光方向por接近于先前用图23给出的在利用偏振光光束分离器进行检光之际的偏振光分离膜处的S偏振光方向(图28中用虚线S示出)。

由此，由于减少了检光之际的P偏振光方向的成分，故可以减少偏振光分离膜6a处的泄漏光。

这里，虽然在偏振光分离膜6a反射时，当P偏振光和S偏振光的相位差为180度(π)或者-180度(-π)的时候如图28所示的那样，形成减少泄漏光的偏振光状态，但在偏振光分离膜的相位差为90度(π/2)时则如图29那样，或者在相位差为0度时如图30那样，由于在再次进行偏振光分离膜的检光时会产生P偏振光成分，故希望最好将相位差设定在条件式(1)所给出的范围。

这样，将偏振光分离膜6a构成为：使从相对于特定的方向(相对于偏振光分离膜6a的法线倾斜了45度的方向)偏离了的方向入射到偏振光分离膜6a并被偏振光分离膜6a反射的偏振光的偏振光方向(椭圆偏振光时为长轴方向)处于下述两个偏振光方向之间，即其中一个偏振光方向为基于偏振光分离膜6a和偏振光的向该偏振光分离膜6a的入射方向之间的几何学关系的、在偏振光分离膜6a反射的偏振光的偏振光方向；另一个偏振光方向为相对于偏振光分离膜6a的法线形成角度θ并以与第一方位角正相反的第二方位角入射到偏振光分离膜6a、在该偏振光分离膜6a反射、经由1/2波长片后的偏振光方向，从而可以减少偏振光分离膜6a的泄漏光。

特别地，希望在以较偏振光光束分离器6的入射面(相对于光轴L正交的面)或者由出射面和偏振光分离膜6a所成的角度小的入射角度入射到偏振光分离膜6a的光线中满足上述条件式(1)。

这里，在取偏振光光束分离器6的入射面或者出射面与偏振光分离膜6a所成的角度为45度时，偏振光光束分离器6达到最大对比度而最好。

下面给出表示满足使偏振光光束分离器6的泄漏光减少的条件的偏振光分离膜的构成的数值实施例。

《数值实施例1》

表1中给出了在本发明的偏振光分离光学系统中使用的偏振光分离膜的数值实施例1。

表1

	厚度(nm)	折射率
			基板		1.75
1	149	1.631
			2	130	2.364
3	71	1.463
			4	132	2.364
5	133	1.463
			6	120	2.364
7	172	1.463
			8	42	2.364
9	168	1.463
			10	72	2.364
11	143	1.463
			12	27	2.364
13	247	1.463
			14	16	2.364
15	169	1.463

粘接材料

1.51

图5中给出的是该数值实施例1的入射角45度处的P偏振光、S偏振光的反射率和Fno2.3下的对角方向作为相当于大致90％和70％的光线的入射角的40.6度和41.6度(相对于θ)处的P偏振光的反射率，图6给出的是在入射角为40.6度和41.6度的偏振光分离面的P偏振光和S偏振光的相位差。

《数值实施例2》

表2中给出了在本发明的偏振光分离光学系统中使用的偏振光分离膜的数值实施例21。

表2

	厚度(nm)	折射率
			基板		1.75
1	117	2.331
			2	75	1.461
3	123	2.331
			4	123	1.461
5	109	2.331
			6	127	1.461
7	81	2.331
			8	173	1.461
9	28	2.331
			10	168	1.461
11	49	2.331
			12	114	1.461
13	35	2.331
			14	118	1.461
粘接材料		1.51

图7中给出的是该数值实施例2的入射角45度处的P偏振光、S偏振光的反射率和Fno2.3下的对角方向作为相当于大致90％和70％的光线的入射角的40.6度和41.6度处的P偏振光的反射率。此外，图8给出的是在入射角为40.6度和41.6度的偏振光分离面处的P偏振光和S偏振光的相位差。

《数值实施例3》

表3中给出了在本发明的偏振光分离光学系统中使用的偏振光分离膜的数值实施例3。本数值实施例是偏振光光束分离器的玻璃折射率为1.6时的数值实施例。

表3

	厚度(nm)	折射率
			基板		1.61
1	168	1.462
			2	145	2.068
3	101	1.382
			4	149	2.068
5	138	1.382
			6	141	2.068
7	140	1.382
			8	77	2.068
9	125	1.462
			10	75	2.068
11	138	1.382
			12	71	2.068
13	133	1.382
			14	65	2.068
15	92	1.462
			粘接材料		1.51

图9中给出的是该数值实施例3的入射角45度处的P偏振光、S偏振光的反射率和Fno2.3下的对角方向作为相当于大致90％和70％的光线的入射角的40.3度和41.3度处的P偏振光的反射率。此外，图10给出的是在入射角为40.3度和41.3度的偏振光分离面处的P偏振光和S偏振光的相位差。

《数值实施例4》

表4中给出了在本发明的偏振光分离光学系统中使用的偏振光分离膜的数值实施例4。

表4

	厚度(nm)	折射率
			基板		1.61
1	172	1.462
			2	141	2.068
3	133	1.382
			4	145	2.068
5	137	1.382
			6	135	2.068
7	151	1.382
			8	76	2.068
9	125	1.462
			10	74	2.068
11	139	1.382
			12	71	2.068
13	132	1.382
			14	65	2.068
15	97	1.462
			粘接材料		1.51

图11中给出的是该数值实施例4的入射角45度处的P偏振光、S偏振光的反射率和Fno2.3下的对角方向作为相当于大致90％和70％的光线的入射角的40.3度和41.3度处的P偏振光的反射率。此外，图12给出的是在入射角为40.3度和41.3度的偏振光分离面处的P偏振光和S偏振光的相位差。

《数值实施例5》

表5中给出了在本发明的偏振光分离光学系统中使用的偏振光分离膜的数值实施例5。

表5

	厚度(nm)	折射率
			基板		1.61
1	163	1.462
			2	143	2.068
3	139	1.382
			4	144	2.068
5	132	1.382
			6	116	2.068
7	204	1.382
			8	74	2.068
9	125	1.462
			10	72	2.068
11	139	1.382
			12	69	2.068
13	131	1.382
			14	65	2.068
15	108	1.462
			粘接材料		1.51

图13中给出的是该数值实施例5的入射角45度处的P偏振光、S偏振光的反射率和Fno2.3下的对角方向作为相当于大致90％和70％的光线的入射角的40.3度和41.3度处的P偏振光的反射率。此外，图14给出的是入射角为40.3度和41.3度的在偏振光分离面的P偏振光和S偏振光的相位差。

《数值实施例6》

表6中给出了在本发明的偏振光分离光学系统中使用的偏振光分离膜的数值实施例6。

表6

	厚度(nm)	折射率
			基板		1.61
1	165	1.462
			2	139	2.068
3	159	1.382
			4	137	2.068
5	145	1.382
			6	99	2.068
7	220	1.382
			8	74	2.068
9	129	1.462
			10	71	2.068
11	140	1.382
			12	67	2.068
13	129	1.382
			14	64	2.068
15	113	1.462
			粘接材料		1.51

图15中给出的是该数值实施例6的入射角45度处的P偏振光、S偏振光的反射率和Fno2.3下的对角方向作为相当于大致90％和70％的光线的入射角的40.3度和41.3度处的P偏振光的反射率。此外，图16给出的是在入射角为40.3度和41.3度的偏振光分离面处的P偏振光和S偏振光的相位差。

上述各数值实施例的在偏振光分离面的P偏振光和S偏振光的相位差如图10、12、14所示的那样，虽然最好在作为照明光使用的白色的范围(例如430～650nm)中进入条件式(1)的范围，但如图6、8、16所示的那样，只要作为使用的范围的平均值满足条件式(1)即可。

此外，如果认为屏幕上的投射图像的对比度之类的照度为测量值，则即使是用比视见灵敏度进行了加权平均的值满足条件式(1)，也可以得到本发明的效果。

也可以不是白色的范围而在偏振光光束分离器中以反射所使用的彩色光的范围(例如，蓝色430～490nm，绿色510～570nm，红色590～630nm)满足条件式(1)。

这里，偏振光光束分离器的基板的折射率使用的是约1.75(数值实施例1、2)和约1.61(数值实施例3～6)两种折射率，但折射率没有特定的限制，通过在任意折射率的玻璃材料中设置满足本发明的条件的偏振光分离膜，也可以减少泄漏光。

作为玻璃材料的内部特性，光弹性系数小的较好，其可以使透过内部的偏振光的方向不产生变化，例如，最好是

β＜1(nm/cm/10⁵Pa)。

此外，反射型液晶显示元件7的长边和短边并非仅限定于图3所示的方向，也可以如图18所示的那样长边和短边的关系相反。

另外，作为投射型显示光学系统全体的构成，也不仅仅限定于图1所示的实施形态。例如，也可以如图19所示的那样是组合双向色反射镜和3个偏振光光束分离器并使用了3个反射型液晶显示元件的构成，或者如图20所示的那样是组合3个偏振光光束分离器和十字分色棱镜并使用了3个反射型液晶显示元件的构成。总而言之，只要是使用偏振光光束分离器投影反射型液晶显示元件上所显示的原图像的构成即可。

(第二实施形态)

下面说明图19所示的投射型显示光学系统的构成。21是以连续光谱发出白色光的光源，22是将来自光源21的光会聚到规定的方向的反射望远镜，23a是矩阵状地配置了矩形的透镜的第一复眼透镜列阵，23b是由具有对应了第一复眼透镜列阵的各个透镜的透镜列阵构成的第二复眼透镜列阵。

24是将无偏振的光处理成特定的偏振光(S偏振光)的偏振光变换元件，25是聚光透镜，26是反射镜。

27是反射蓝(B)和红(R)波长区域的光，透过绿(G)波长区域的光的分色镜，28是滤除一部分B和R的中间波长区域的光的彩色滤光片。

29a是将B光的偏振光方向变换90度但不变换R光的偏振光方向的第一彩色选择性相位差板，29b是将R光的偏振光方向变换90度但不变换B光的偏振光方向的第二彩色选择性相位差板。

30a、30b、30c是分别透过P偏振光、反射S偏振光的第一偏振光光束分离器、第二偏振光光束分离器以及第三偏振光光束分离器。

31r、31g、31b分别是对应于显示的原图像调制反射光的红色用反射型液晶显示元件、绿色用反射型液晶显示元件以及蓝色用反射型液晶显示元件。

32r、32g、32b分别是红色用的1/4波长片、绿色用的1/4波长片以及蓝色用的1/4波长片。

33a、33b是透过规定的偏振光成分的偏光板，34投射透镜。

在偏振光光束分离器30a中，绿色光作用，在偏振光光束分离器30b中，蓝色和红色光作用。

(第三实施形态)

下面说明图20所示的投射型显示光学系统的构成。41是以连续光谱发出白色光的光源，42是将来自光源41的光会聚到规定的方向的反射望远镜，43a是矩阵状地配置了矩形的透镜的第一复眼透镜列阵，43b是由具有对应了第一复眼透镜列阵的各个透镜的透镜列阵构成的第二复眼透镜列阵。

44是将无偏振的光处理成特定的偏振光(S偏振光)的偏振光变换元件，45a是聚光透镜，45b、45c、45d是场透镜，46a、46b是不损失长的光路中的照明光地进行传递的中继透镜。

47是透过红(R)波长区域的光，反射蓝(B)和绿(G)波长区域的光的分色镜，48是透过蓝(B)波长区域的光，反射绿(G)波长区域的光的分色镜。

49a、49b是反射镜，50a、50b、50c是分别透过P偏振光、反射S偏振光的第一偏振光光束分离器、第二偏振光光束分离器以及第三偏振光光束分离器。

51r、51g、51b分别是对应于所显示的原图像调制反射光的红色用反射型液晶显示元件、绿色用反射型液晶显示元件以及蓝色用反射型液晶显示元件。

52r、52g、52b分别是红色用的1/4波长片、绿色用的1/4波长片以及蓝色用的1/4波长片。

53r、53g、53b是透过规定的偏振光成分的偏光板，54投射透镜。

在偏振光光束分离器50a中蓝色光作用，在偏振光光束分离器50b中绿色光作用，在偏振光光束分离器50c中红色光作用。

以上我们说明了本发明的理想实施例，但也可以在(专利)权利要求所记载的说明范围内进行改良或变形。

Claims (17)

1.一种偏振光分离光学系统，具有将来自第一光学系统的偏振光导向反射型图像形成元件、检测来自上述图像形成元件的偏振光将之导向第二光学系统的偏振光分离膜，其特征在于：

满足

120°≤|δ|≤180°

的条件，式中，δ是上述偏振光分离膜处的P偏振光和S偏振光的相位差。

2.根据权利要求1所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

进一步满足

Rp＞0％

的条件，式中，Rp是相对于该偏振光分离膜的法线以角度θ入射到上述偏振光分离膜的P偏振光的在该偏振光分离膜的反射率，

进而，上述入射角度θ满足下面的条件

α-φ≤θ≤α+φ

式中，α是从上述第一光学系统到上述偏振光分离膜的光轴和上述偏振光分离膜的法线所成的角度，φ是相对于从上述第一光学系统到上述偏振光分离膜的光轴的、朝向上述偏振光分离膜的光束的最大入射角度。

3.根据权利要求1或者2所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

相对于上述第一光学系统的光轴倾斜设置上述偏振光分离膜。

4.根据权利要求1或者2所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

在上述偏振光分离膜和上述图像形成元件之间设置有1/4波长片。

5.根据权利要求1或者2所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

上述δ是在上述偏振光分离膜中反射光线时的P偏振光和S偏振光的相位差。

6.根据权利要求1或者2所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

上述偏振光分离膜构成为：使相对于上述偏振光分离膜的法线形成角度θ并以第一方位角入射到上述偏振光分离膜、在该偏振光分离膜反射的偏振光的偏振光方向处于下述两个偏振光方向之间，即其中一个偏振光方向为基于上述偏振光分离膜和偏振光的向该偏振光分离膜的入射方向之间的几何学关系的、在上述偏振光分离膜反射的偏振光的偏振光方向；另一个偏振光方向为相对于上述偏振光分离膜的法线形成角度θ并以与第一方位角正相反的第二方位角入射到上述偏振光分离膜、在该偏振光分离膜反射、经由1/2波长片后的偏振光方向。

7.根据权利要求6所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

上述的经由1/2波长片相当于通过两次1/4波长片。

8.一种偏振光分离光学系统，具有将来自第一光学系统的偏振光导向反射型图像形成元件、检测来自上述图像形成元件的偏振光将之导向第二光学系统的偏振光分离膜，其特征在于：

上述偏振光分离膜构成为：使相对于上述偏振光分离膜的法线形成角度θ并以第一方位角入射到上述偏振光分离膜、在该偏振光分离膜反射的偏振光的偏振光方向处于下述两个偏振光方向之间，即其中一个偏振光方向为基于上述偏振光分离膜和偏振光的向该偏振光分离膜的入射方向之间的几何学关系的、在上述偏振光分离膜反射的偏振光的偏振光方向；另一个偏振光方向为相对于上述偏振光分离膜的法线形成角度θ并以与第一方位角正相反的第二方位角入射到上述偏振光分离膜、在该偏振光分离膜反射、经由1/2波长片后的偏振光方向。

9.根据权利要求8所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

上述的经由1/2波长片相当于通过两次1/4波长片。

10.根据权利要求8所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

在上述偏振光分离膜和上述图像形成元件之间设有1/4波长片。

11.根据权利要求8或者9所述的偏振光分离光学系统，其特征在于：

上述入射角度θ为较相对于从上述第一光学系统到上述偏振光分离膜的光轴正交的面和上述偏振光分离膜所成的角度小的角度。

12.一种投射型显示光学系统，其特征在于具有：

将光照射到反射型图像形成元件上的第一光学系统；

权利要求1所述的偏振光分离光学系统；

将来自上述偏振光分离光学系统的光投射到被投射面上的第二光学系统。

13.一种投射型显示光学系统，其特征在于具有：

将光照射到反射型图像形成元件上的第一光学系统；

权利要求8所述的偏振光分离光学系统；

将来自上述偏振光分离光学系统的光投射到被投射面的第二光学系统。

14.一种投射型图像显示装置，其特征在于具有：

权利要求12所述的投射型显示光学系统；

调制来自上述第一光学系统的光的反射型图像形成元件。

15.一种投射型图像显示装置，其特征在于具有：

权利要求13所述的投射型显示光学系统；

调制来自上述第一光学系统的光的反射型图像形成元件。

16.一种图像显示系统，其特征在于具有：

权利要求14所述的投射型图像显示装置；

将用于使上述图像形成元件显示原图像的图像信息提供给上述投射型图像显示装置的图像信息供给装置。

17.一种图像显示系统，其特征在于具有：

权利要求15所述的投射型图像显示装置；

将用于使上述图像形成元件显示原图像的图像信息提供给上述投射型图像显示装置的图像信息供给装置。

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